化工分離工程

1、化工分離工程第一章 緒論1.1 概述1.1.1 分離過(guò)程的發(fā)展與分類隨著世界工業(yè)的技術(shù)革命與發(fā)展 , 特別是化學(xué)工業(yè)的發(fā)展 , 人們發(fā)現(xiàn)盡管化工產(chǎn)品種類繁 多,但生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)備往往都可以認(rèn)為是由反應(yīng)器、分離設(shè)備和通用的機(jī)、泵、換熱器等構(gòu) 成 。其中離不開(kāi)兩類關(guān)鍵操作 : 一是反應(yīng)器 , 產(chǎn)生新物質(zhì)的化學(xué)反 應(yīng)過(guò)程, 其為化工生產(chǎn)的 核心; - 其中離不開(kāi)兩類關(guān)鍵操作 : 一是反應(yīng)器 ,產(chǎn)生新物質(zhì)的化學(xué)反 應(yīng)過(guò)程, 其為化工生 產(chǎn)的核心 ; - 于是研究化學(xué)工業(yè)中具有共同性的過(guò)程和設(shè)備的規(guī)律 , 并將之運(yùn)用于生產(chǎn)的 “化學(xué) 工程”這一 學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生 。分離過(guò)程可分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離兩大類 。

2、機(jī)械分離過(guò)程的對(duì)象都是兩相或兩相 以上的非均相混合物 , 只要用簡(jiǎn)單的機(jī)械方法就可將兩相分離 , 而兩相間并無(wú)物質(zhì)傳遞現(xiàn)象 發(fā)生傳質(zhì)分離過(guò)程的特點(diǎn)是相間傳質(zhì) , 可以在均相中進(jìn)行 , 也可以在 非 均相中進(jìn)行 。 傳統(tǒng) 的單元操作中 , 蒸發(fā)、蒸餾、吸收、吸附、萃取、浸取、干燥、結(jié)晶等單元操作大多在兩相 中進(jìn)行 。 依據(jù)處于熱力學(xué)平衡的兩相組成不相等的原理 ,以每一級(jí)都處 于平衡態(tài)為手段 , 把其他影響參數(shù)均 歸納于效率之中 ,使其更符合實(shí)際 。它的另一種 工程處理方法則是把現(xiàn)狀 和達(dá)到平衡之間的濃度 梯度或壓力梯度作為過(guò)程的推動(dòng)力 , 而把其他影響參數(shù)都?xì)w納于阻 力之中, 傳遞速率 就成為推

3、動(dòng)力與阻力的商了 。 上述兩種工程處理方法所描述的 過(guò)程, 都 稱作平衡級(jí)分離過(guò)程 。 分離行為在單級(jí)中進(jìn)行時(shí) , 往往著眼于氣相或液相中粒子、離子、 分子以及分子微團(tuán)等在場(chǎng) 的作用 下遷移速度不同所造成的分離 。 熱擴(kuò)散、反滲透、 超過(guò) 濾、電滲析及電泳等分離過(guò) 程都屬此類 ,稱速率控制分離過(guò)程 , 都是很有發(fā)展?jié)摿Φ男路蛛x 方法 。 綜上所述,分離過(guò)程得 以進(jìn)行的基礎(chǔ)是在“場(chǎng)”的存在下 ,利用分離組分間物理或 化學(xué)性質(zhì)的差異,并采用工程手段使之達(dá)到分 離 。 顯然,構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、運(yùn)行可靠、 高效節(jié)能的分 離設(shè)備將是分離過(guò)程得以實(shí) 施乃至 完成的保證。1.1.2 分離過(guò)程的地位廣泛的

4、應(yīng)用、科技的發(fā)展、環(huán)境的需要都說(shuō)明分離過(guò)程在國(guó)計(jì)民生中所 占的地位和作用 , 并展示了分離過(guò)程的 廣闊前景: 現(xiàn)代社會(huì)離不開(kāi)分離技術(shù), 分離技術(shù)發(fā)展于現(xiàn)社會(huì)。1.2 分離分子組分i和J的通用分高因一 f a 111為二組分在嚴(yán)品I中的摩爾分率的比値除以在產(chǎn) 品2中的比值。 顯然,r的單位可以用組分的質(zhì)量分率、摩爾流量或質(zhì)量流量 ，其所得的 分離因子值不變。1.3 過(guò)程開(kāi)發(fā)及方法( 1 ) 開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)研究 : 針對(duì)項(xiàng)目的應(yīng)用性基礎(chǔ)研究和工藝特征研究 , 以實(shí)驗(yàn)室研究為主體( 2 ) 過(guò)程研究:進(jìn)行工藝、產(chǎn)品、設(shè)備等的工程放大試驗(yàn) ,包括模型試驗(yàn)、徽型中試、中 間試驗(yàn)、原型裝置試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)的全部過(guò)

5、程或部分過(guò)程。( 3 ) 工程研究 : 包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、概念設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、放大技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等 所以 , 化工新技術(shù)開(kāi)發(fā)不外乎三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié) : 概念形成到課題的選定、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)論證 (可行性) 和放大技術(shù) 。其中 , 放大技術(shù)是研究開(kāi)發(fā)的核心 。1. 逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大其基本步驟是 : 進(jìn)行小試 , 確定操作條件和設(shè)備形式 , 以及可望達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 確定 的依據(jù)是最終產(chǎn)品質(zhì)量、 產(chǎn)量和成本 ,并不考慮過(guò)程的機(jī)理。 小試之后進(jìn)行規(guī)模稍大的中試以確定設(shè)備尺寸放大后的影響(放大效應(yīng))，然后才能放大到工業(yè)規(guī)模的大型裝置2.數(shù)學(xué)模型方法此法基于對(duì)過(guò)程本質(zhì)的深刻理解，將復(fù)雜過(guò)程分解為多個(gè)較簡(jiǎn)單的子過(guò)

6、程，再根據(jù)研究的目 的進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，得出物理模型。1.4分離方法的選擇1可行性要選擇合適的分離方法，首先應(yīng)考查它的可行性。也就是說(shuō),應(yīng)用該方法是否可能獲得所 期望的結(jié)果。通過(guò)可行性判斷，可以篩選合適的分離方法。第二章精餾蒸餾(Distillation ):借助液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異而進(jìn)行分離的一種操作方法。簡(jiǎn)單蒸餾(simple distillation):混合液受熱部分汽化，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入冷凝器種冷凝，分批收集不同組成的餾出液產(chǎn)品。平衡蒸餾(equilibrium distillation):釜內(nèi)液體混合物被部分汽化，使氣相與液相處于平衡狀態(tài)，然后將氣相與液相分開(kāi)，是一種單級(jí)蒸餾操作

7、。精餾(rectificati on):液體混合物多次進(jìn)行部分冷凝或部分汽化后，最終可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分。精餾計(jì)算：物料衡算，熱量衡算，相平衡關(guān)系 計(jì)算方法：雙組份常用圖解法；多組分常用簡(jiǎn)捷法、嚴(yán)格計(jì)算法普通精餾不適用下列物料的分離:（1）待分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度很接近于 1。此時(shí)，它們的分離需要很多理論板數(shù)和很大 的回流比，因此設(shè)備投資和操作費(fèi)用很大，不經(jīng)濟(jì)。一般認(rèn)為，當(dāng)分離所需的理論板數(shù)大于100時(shí)，精餾已不適用。（2） 待分離組分形成恒沸物，此時(shí)相對(duì)揮發(fā)度等于1，平衡的汽液兩相組成一樣，普通精 餾無(wú)法實(shí)現(xiàn)分離。（3）待分離物料是熱敏性的，或是在

8、高溫下易發(fā)生聚合、結(jié)垢、分解等不良反應(yīng)的。（4）待回收的組分是難揮發(fā)組分，且在料液中含量很低。此時(shí)能量消耗太大，不經(jīng)濟(jì)。理論板、板效率和填料的理論板當(dāng)量高度理論板：進(jìn)入該板的不平衡的物流發(fā)生了充分的接觸傳質(zhì)，離開(kāi)了兩相的物流間達(dá)到了平 衡；在該板上發(fā)生傳質(zhì)接觸的汽液兩相各自完全混合，板上各點(diǎn)的汽相和液相濃度各自一 樣；該板上充分接觸后的汽液兩相實(shí)現(xiàn)了機(jī)械上的完全分離，離開(kāi)該板的汽流中不夾帶霧 滴，液流中不夾帶氣泡，也不存在漏液。板效率:E MV -y*一叢yj yj 1式中，分子為汽相經(jīng)實(shí)際板接觸傳質(zhì)后的增濃值；分母則為經(jīng)理論板后的增濃值；效率為 兩者之比值。點(diǎn)效率、莫夫里板效率（干板效率）、

9、濕板效率、總板效率理論板數(shù)只與相平衡關(guān)系、規(guī)定的分離要求和精餾操作參數(shù)（進(jìn)料熱狀況、回流比和液氣 比）有關(guān)，表征物料達(dá)到規(guī)定分離要求的難易。系統(tǒng)物性對(duì)板效率的影響 液相粘度：粘度高產(chǎn)生的氣泡大，兩相接觸差，液相擴(kuò)散系數(shù)小，效率低；相對(duì)揮發(fā)度：相對(duì)揮發(fā)度大則氣相溶解度低，液相阻力大，板效率低；表面張力：表面張力對(duì)板效率影響相當(dāng)小。二元精餾計(jì)算圖解法：在x -y圖上作出平衡線和操作線、對(duì)角線和曲，精餾段在精餾段操作線與平衡線之間畫(huà)得的梯級(jí)即為精餾段的理論板數(shù)，在提餾段操作線與平衡線畫(huà)出的梯級(jí)數(shù)為提餾段的理論板數(shù)。汽液平衡關(guān)系；相鄰兩板之間汽液兩相組成的操作關(guān)系；原料液的組成；進(jìn)料熱狀況；操作回流比

10、；分離程度精餾段各組分的摩爾汽化焓相等；氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的的顯熱可以忽略不計(jì)；塔的熱 損失可以忽略不計(jì)操作線方程R17（R 1）X（R 1）XD提餾段操作線方程y （節(jié)）x （扣bFeed stage con siderati ons冷液進(jìn)料、飽和液體、氣液混合進(jìn)料、飽和蒸汽進(jìn)料、過(guò)熱蒸汽進(jìn)料進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q： q飽和蒸汽的摩爾焓原 料的摩爾焓 飽和蒸汽的摩爾焓-飽 和液體的摩爾焓q線方程：y ( q )xq 1(壬)q 1平衡級(jí)與進(jìn)料板位置的確定精餾的簡(jiǎn)捷計(jì)算（多組分精餾）關(guān)鍵組分：進(jìn)料中按要求選取的兩個(gè)組分（大多是揮發(fā)度相鄰的兩個(gè)組分它們對(duì)物料的分離起控制作用。揮發(fā)度大的稱為輕關(guān)

11、鍵組分（LK），它在塔釜中的濃度必須加以控制，不能 大于某個(gè)規(guī)定值；兩組分中揮發(fā)度大的稱為重關(guān)鍵組分（ HK，為達(dá)到分離要求，它在塔頂 產(chǎn)品中的含量必須加以控制。 料液中比輕關(guān)鍵組分更易揮發(fā)的組分為輕非關(guān)鍵組分（LNK，簡(jiǎn)稱為輕組分；比重關(guān)鍵組分更難揮發(fā)的組分稱為重非關(guān)鍵組分（HNK，簡(jiǎn)稱為重組分。在多組分精餾中，只在塔頂或塔釜出現(xiàn)的組分為非分配組分；而在塔頂和塔釜均出現(xiàn)的組分則為分配組分。LK和HK肯定同時(shí)在塔頂和塔釜出現(xiàn)，是當(dāng)然的分配組分。多組分精餾過(guò)程特性： 對(duì)二組分精餾，設(shè)計(jì)變量值被確定后，很容易用物料衡算式，汽液平衡式和熱量衡算式從 塔的任何一端出發(fā)作逐板計(jì)算，無(wú)需進(jìn)行試差。但在多組

12、分精餾中，由于不能指定餾出液和釜液的全部組成，要進(jìn)行逐板計(jì)算，必須先假 設(shè)一端的組成，然后通過(guò)反復(fù)試差求解。，但至少有一個(gè)精餾塔的分離要求通常有兩個(gè)，它們可以是產(chǎn)品的純度和流量（或回收率） 應(yīng)是純度多組分精餾與二組分精餾在含量分布上的區(qū)別: 在多組分精餾中，關(guān)鍵組分的含量分布有極大值；非關(guān)鍵組分通常是非分配的，即重組分 通常僅出現(xiàn)在釜液中，輕組分僅出現(xiàn)在餾出液中；重、輕非關(guān)鍵組分分別在進(jìn)料板下、上 形成幾乎恒濃的區(qū)域；全部組分均存在于進(jìn)料板上，但進(jìn)料板含量不等于進(jìn)料含量，塔內(nèi) 各組分的含量分布曲線在進(jìn)料板處是不連續(xù)的。在精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成，而總的級(jí)間流量分布則主要反映了熱量衡

13、算 的限制。最小理論板數(shù)Min：精餾塔在操作過(guò)程中，將塔頂蒸氣全部冷凝，其凝液全部返回塔頂作為 回流，稱此操作為全回流(total reflux)，回流比R為無(wú)窮大(R= )。此時(shí)通常不進(jìn)料， 塔頂、塔底不采出。故精餾塔內(nèi)氣、液兩相流量相等，L = V,兩操作線斜率均為1,并與對(duì)角線重合。由于全回流操作時(shí)，使每塊理論板分離能力達(dá)到最大，完成相同的分離要求， 所需理論板數(shù)最少，并稱其為最小理論板數(shù)Nnino芬斯克方程最小回流比 Rmin： RminxdyyXe恩特伍德方程(估算最小回流比)iiBRmiiB XDiiB1iB XFi1 q適宜回流比0.5668 吉利蘭關(guān)聯(lián)式:N Nmin 0.75

14、 1 RRmin多組分精餾的FUG簡(jiǎn)捷計(jì)算方法首先用芬斯克方程計(jì)算最少理論板數(shù)；計(jì)算給定條件下的最小回流比；應(yīng)用吉利蘭 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式估算所需理論板數(shù)。FUG法適合于新塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，習(xí)慣需要指定以下三個(gè)變量：實(shí)際回流流率與最小回流流 率之比；參考組分（通常是重關(guān)鍵組分）的切割程度；另一組分（通常為輕關(guān)鍵組分）的 切割程度。精餾的簡(jiǎn)捷計(jì)算例題-見(jiàn)課件嚴(yán)格的多組分精餾計(jì)算精餾的定態(tài)數(shù)學(xué)模型MESH方程：組分物料衡算（M，相平衡關(guān)聯(lián)（巳，摩爾分率加和歸一（S），熱量衡算（H）組分物料衡算（M 方程:uij+wij+lij+vij-vi,j+1-li,j-1-fij=0（ i= 1,c;j= 1,，N）i

15、= 1,c; j= 1,N)(j= 1,N)j= 1,N)相平衡關(guān)聯(lián)（E方程）:（摩爾分率加和歸一（S）方程：熱量衡算（H方程：（為進(jìn)行精餾的嚴(yán)格計(jì)算，除mesh模型方程組外,Kij，hj和H的關(guān)聯(lián)式必須知道基于上述定態(tài)數(shù)學(xué)模型的操作型算法可歸并為兩大類：1）分塊求解；2）聯(lián)列解。王-亨克（Wang-Henk0的三對(duì)角矩陣法屬于分塊解法。王-亨克算法的計(jì)算框圖泡點(diǎn)法（BP法）ASPEN PLU大型流程模擬軟件 流程模擬的優(yōu)越性第三章吸收吸收的定義吸收分離過(guò)程的用途：獲得產(chǎn)品、分離氣體混合物、氣體的凈化、回收有用組分吸收劑不需要解吸再生的吸收裝置：如硫酸吸收 SO制HSQ水吸收HCI制鹽酸、吸收

16、甲醛制福爾馬林、堿液吸收CO或SQ制碳酸氫鹽或硫酸鹽等。（流程圖）吸收劑進(jìn)行解吸的吸收裝置：1. 吸收劑價(jià)廉，但必須解吸后再棄去的吸收裝置（液化廢氣中提取氯）；2. 減壓冷再生流程（合成氨中CQ的解吸）3. 氣提冷再生流程（氧化法吸收HS）4. 間接蒸汽再生流程吸收過(guò)程的分類：物理吸收：吸收劑與溶質(zhì)之間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生； 化學(xué)吸收：液相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)塔設(shè)備: 填料塔：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，制造方便，體積大，重量大，傳質(zhì)效率不高，操作穩(wěn)定性 差，容易發(fā)生溝流現(xiàn)象板式塔：?jiǎn)挝惶幚砹看?，重量小，清理檢修方便，制造麻煩，投資費(fèi)用大（泡罩塔、篩板 塔、浮伐塔）板式塔特性的比較填料塔（本章重點(diǎn)）填料的要求比表面積要大；能夠提供大的流體通量；液體的再分布性能要好；填料裝填后，床層結(jié)構(gòu)均勻堆放的形狀有利于液體向四周均勻分布既能垂直上下傳遞，而且能夠橫向傳遞要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。填料塔中的傳質(zhì)速率滲透論傳質(zhì)開(kāi)始時(shí)，氣液兩相各自內(nèi)部的濃度是一致的，兩者一開(kāi)始接觸就開(kāi)始傳質(zhì)，氣相溶質(zhì)不斷溶解到液相中，接觸時(shí)間愈長(zhǎng)，